Antipartículas

Todos sabemos que cada superhéroe tiene un villano, que es igual de fuerte, pero malvado.  ¿Qué pensarías si te digo que lo mismo ocurre con las partículas que forman la materia? 

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    Afortunadamente, para el caso de las partículas, ninguna es malvada. Se trata de partículas con las mismas características, pero con carga opuesta. Cada partícula que compone a la materia tiene una antipartícula, excepto los fotones.

    Por ejemplo:

    • Si el símbolo de un protón es \(p\), su símbolo de antipartícula será \(\bar{p}\).
    • Lo mismo ocurre con los neutrones y los neutrinos.
    • Pero no con los electrones, cuyo símbolo es \(e^{+}\).

    En este artículo estudiaremos las antipartículas y cómo podemos clasificarlas. ¡Comencemos!

    Descubrimiento de la antipartícula del electrón

    El positrón fue descubierto en 1933 por el físico Carl Anderson, mientras estudiaba las trazas que los rayos cósmicos dejaban en su cámara de niebla: se dio cuenta de que existían trayectorias casi iguales a las de los electrones, pero con una curvatura invertida. Después de varios experimentos, concluyó que la trayectoria debía ser de una partícula idéntica al electrón, pero con carga positiva. A esta nueva partícula la llamaron electrón positivo, o positrón.

    Un electrón positivo, o positrón, es una partícula idéntica al electrón pero con carga positiva.

    Antipartículas Positron StudySmarter Fig. 1: Traza de un positrón en una cámara de niebla.

    ¿Qué son las antipartículas?

    Las antipartículas son los bloques que forman la antimateria.

    Cada partícula en el universo tiene una antipartícula con la misma masa y espín, pero con carga eléctrica contraria. Existe una antipartícula para cada partícula subatómica, en el núcleo y la órbita de un átomo. Los protones, neutrones, neutrinos y electrones tienen antipartículas.

    Las características de las antipartículas son similares a las de las partículas, solo que difieren en su carga. Las antipartículas pueden crearse mediante procesos de desintegración radiactiva en el átomo. También pueden interactuar con la materia, para dar lugar a un proceso de aniquilación.

    PartículaAntipartículaSímbolos
    ProtónAntiprotón\(p,\bar{p}\)
    NeutrónAntineutrón\(n,\bar{n}\)
    ElectrónPositrón\(e^{-},e^{+}\)
    NeutrinoAntineutrino\(\nu,\bar{\nu}\)

    Tabla 1: Partículas y antipartículas.

    Características de las antipartículas

    Las antipartículas y las partículas tienen la misma masa y energía en reposo; la única diferencia es su carga. La carga de un positrón es de \(1,6022 \cdot 10^{ -19}\,\, \mathrm{C}\), que es lo contrario de la carga de un electrón —que tiene un valor de \(-1,6022 \cdot 10 ^{-19}\,\,\mathrm{C}\)—. Lo mismo ocurre con los protones, que tienen una carga positiva para la materia normal y negativa para el antiprotón.

    PartículaCarga eléctricaMasa
    Positrón \(1,6022 \cdot 10 ^{-19}\,\,\mathrm{C}\) \(9,109 \cdot 10 ^{-31}\,\,\mathrm{kg}\)
    Antiprotón\(-1,6022 \cdot 10 ^{-19}\,\,\mathrm{C}\) \(1,672 \cdot 10 ^{-27}\,\,\mathrm{kg}\)
    Antineutrón\(0\) \(1,674 \cdot 10 ^{-27}\,\,\mathrm{kg}\)
    Antineutrino electrónico\(0\) \(1,6 \cdot 10 ^{-36}\,\,\mathrm{kg}\)

    Tabla 2: Características de las antipartículas.

    Aniquilación de partículas y antipartículas

    Cuando la materia y la antimateria interactúan, ¡se destruyen mutuamente! Esta destrucción tiene tres características principales:

    • Las masas de las partículas se destruyen.
    • La destrucción convierte toda la masa de las partículas en energía.
    • La energía se libera, en forma de fotones de alta energía.

    Antipartículas Aniquilación antimateria-materia StudySmarterFig. 2: Aniquilación de antimateria-materia.

    ¿Cómo se crean los de pares de antimateria y materia?

    En algunos casos, un fotón puede interactuar con una partícula, lo que genera un par de partículas formado por una partícula y su antipartícula. Este suceso se denomina creación de pares.

    Durante la creación de pares, la energía debe conservarse: un fotón tiene una determinada cantidad de energía (X), y la energía de las dos partículas generadas (Y y Z) debe ser igual a la energía total del fotón que las ha producido.

    La conservación de la energía se expresa así:

    \[\text{Energia del foton}=\text{Energia particula creada}+ \text{Energia antiparticula creada}\]

    Para calcular la energía del impacto entre materia y antimateria, necesitamos obtener la energía total del fotón liberado durante la colisión. Esta energía es una relación entre la velocidad de la luz \(c\), la constante de Planck \(h\) y la longitud de onda del fotón \(\lambda\). La fórmula para calcularlo es la siguiente:

    \[E=\dfrac{c\cdot h}{\lambda}\]

    Veámoslo el siguiente ejemplo:

    Un fotón liberado en una colisión tiene una longitud de onda de \(0,005\) nanómetros. Calcula la energía liberada por una colisión entre una partícula y una antipartícula.

    Solución:

    Para calcular la energía liberada, tenemos que convertir el número de nanómetros en metros. Un nanómetro equivale a \(1\cdot 10 ^{-9}\) metros, así que hay que multiplicar \(0,005\) por \(1\cdot 10 ^{-9}\) metros:

    \[\lambda=(1\cdot 10^{-9})(5\cdot 10^{-3})=5\cdot 10^{-12}\,\, \mathrm{m}\]

    El siguiente paso es multiplicar la velocidad aproximada de la luz en el vacío por la constante de Planck, que tiene un valor de \(6,63 \cdot 10^{-34}\,\,\mathrm{J / s}\):

    \[c\cdot h=(3\cdot 10^8 \,\, \mathrm{m/s})(6,63 \cdot 10^{-34}\,\, \mathrm{J/s})=1,989\cdot 10^{25}\,\, \mathrm{J\cdot m}\]

    Finalmente, tenemos que dividirlo por la longitud de onda del fotón liberado:

    \[E=\dfrac{c\cdot h}{\lambda}=\dfrac{1,989\cdot 10^{-25}\,\, \mathrm{J \cdot m}}{5\cdot 10^{-12}\,\,\mathrm{m}}=3,978\cdot 10^{-14}\,\, \mathrm{J}\]

    ¿Para qué sirve la antimateria?

    Ya vimos que la antimateria es toda aquella materia formada por antipartículas; pero, ¿para qué sirve? ¡Veamos algunos ejemplos!

    • Cámaras PET, para el estudio de tejidos del cuerpo humano.
    • Detectores de rayos gamma.
    • Desarrollo de materiales pesados para construir trenes, automóviles, etc.
    • Combustibles.

    La antimateria se puede obtener durante procesos naturales, como las colisiones de rayos cósmicos o en algunos decaimientos radiactivos. También se pueden producir antipartículas en los aceleradores de partículas.

    Antipartículas - Puntos clave

    • Las antipartículas son partículas que tienen la carga opuesta a las partículas normales.
    • La antimateria es materia formada por antipartículas.
    • La masa de las partículas y las antipartículas es la misma, pero su carga eléctrica es opuesta.
    • Cuando la materia y la antimateria colisionan, se destruyen mutuamente y crean energía en forma de fotones.
    Preguntas frecuentes sobre Antipartículas

    ¿Qué es la antipartícula?

    Cada partícula en el universo tiene una antipartícula con la misma masa y espín, pero con carga eléctrica contraria. Eso es una antipartícula.

    ¿Qué partículas y antipartículas existen?

    • Protón y antiprotón
    • Neutrón y antineutrón
    • Electrón y positrón
    • Neutrino y antineutrino.

    ¿Cuáles son ejemplos de antipartículas?

    Alguno de los ejemplos son el positrón y el antineutrón.

    ¿Qué pasa con las partículas y antipartículas cuando se encuentran?

    Cuando la materia y la antimateria interactúan, se destruyen mutuamente. 


    Esta destrucción tiene tres características principales:

    • Las masas de las partículas se destruyen.
    • La destrucción convierte toda la masa de las partículas en energía.
    • La energía se libera en forma de fotones de alta energía.

    ¿Cuál es la importancia de las antipartículas?

    Sus aplicaciones en la industria y en la medicina. Por ejemplo:

    • Cámaras PET para el estudio de tejidos del cuerpo humano.
    • Detectores de rayos gamma
    • Desarrollo de materiales pesados para construir trenes, automóviles, etc.
    • Combustibles.

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    ¿Quién descubrió la primera antipartícula?

    ¿Qué pasa cuando la materia y la antimateria colisionan?

    Las antipartículas son más pequeñas que las partículas. ¿Verdadero o falso?

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